大学物理第17章,原子核和基本粒子

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1/2Байду номын сангаас
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每种夸克都有相应的反夸克。
重子都由三个夸克组成。
如 P ( uud )
2 2 1 1 1 1 1
电荷 e e e e 自旋 3 3 3 2 2 2 2
介子都由一个夸克和一个反夸克组成。
如 ( ud )
电荷 e e e 3 3 2 1
短程 10-15~10-16
核力 1 胶子 强子
衰变
10-15 中间 玻色子
相对 强度
媒介
10-39 引力子
被作用 一切物体 强子、轻子 粒子
特征 时间
>10-10
10-20~10-16
<10-23
相互作用的统一
弱电统一理论： 弱作用与电磁作用的统一
大统一理论： 强相互作用和弱电作用统一
超大统一理论： 四种相互作用的统一 有待于验证。
三.粒子的分类
正反粒子 两者质量、自旋、平均寿命完全相同。 电荷等值异号，磁矩方向相反。 按自旋分类(1)玻色子,(2)费米子
按参与相互作用的性质分类
1、规范粒子 规范粒子是传递作用力的粒子。 2、轻子 3、强子
轻子完全不受强作用力的影响。
强子分成介子和重子。
按质量分类
(1)轻子,(2)介子(3)重子
物质的基本单元 原子
质子、中子、电子
夸克
17-1 原子核的基本性质
一、原子核电荷、质量和密度 1、原子核的质量数和电荷数 原子核由质子和中子组成。 质子（P）： e m p 1.007276u 核子
中子（n）：电中性 mn 1.008665u 1u 1.6605655 1027 kg 原子核符号
由质子和中子形成原子核时所放出的能量。
Eb mi c 2 Mc 2
i
原子核由Z个质子和N个中子结合而成，
m
i
i
Zm p Nmn
2 2
Eb ( Zm p Nmn )c Mc
平均结合能(比结合能)： 原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值。
Eb Eb A
平均结合能越大， 原子核越稳定。
t=0，N=N0
N N 0 e t
放射性衰变定律

dN dt t时刻，每单位时间衰变的原子核数与该 N
时刻原子核总数的比。越大，衰变越快。
2.半衰期和平均寿命 半衰期:原子核衰变到N=N0/2所需的时间。
1 2 N 0 N 0e
T1
2
T1 2
ln 2


0.693

平均寿命 每个原子核衰变前存在的时间的平均值。
* 17-2 原子核的放射性衰变
不稳定的原子核会自发地转变成另一种核而同时
放出射线，这种变化叫放射性衰变。
一、放射性衰变的一般规律 1.指数衰减规律 t=0时刻样品中有N0个核， 经过一段时间t后剩下N个 核,在dt时间内有-dN个核发生衰变
dN Ndt
或
dN dt N
表征衰变快慢的常数（ 衰变常数）
A Z
X
A(质量数) Z N 14 7N Z 电荷数(质子数,原子序数)
16 8
O
X 与Z相应的元素符号
核素:具有相同质子数Z和相同中子数N的核素。 同位素:具有相同的质子数而中子数不同的核素。
16 8
O
17 8
O
18 8
O
1 1
2 3 H 1H 1H
同中子异荷数:具有相同中子数N 、不同质子数Z的核素。
3.核力与核子带电状况无关。
4.核力具有饱和性。 1935年，日本物理学家汤川秀树提出核力的介子理论， 认为核子之间通过交换介子而发生核力作用。
四、 原子核的结合能和平均结合能
原子核的质量M总是小于组成该原子核的核子的质
量之和，它们之间的差额称为原子核的质量亏损。
核子在结合成原子核时，它们之间的核力作用使体 系能量降低，从而释放出能量，相应质量减少了。 原子核结合能：
X 母核
Y 子核
中微子的发现
1930年泡利根据衰变前后应遵守角动量守恒和能 量守恒提出核在发射粒子的同时应发射一个质量 几乎为零的中性粒子，称中微子。
2) 衰变是核电荷改变而核子数不变的核衰变. -衰变是原子核内中子转变成质子，同时放出一个
电子和与电子相联系的反中微子
A Z
1 0
1 0 ~ n1 P 1 e
中子的磁矩
n 1.91 N
原子核有磁矩
J gJ N J
核自旋的确定：
1.质子和中子的自旋 I
1 2
2.原子核的质子数和中子数都是偶数时，自旋为零。
3.原子核的质子数和中子数都是奇数时， 自旋为非零整数。 4.原子核的核子数是奇数时，自旋为1/2的奇数倍。
三、核力的基本性质 核子之间的相互作用力， 抵消核子之间的较强的库仑排斥力。 核力的特征： 1.核力是比电磁力强得多的强相互作用力， 主要是吸引力。 2.核力是短程力，核子间距离小于10-15m时才明显。
原子核的寿命：

1 N0


0
t ( dN )
1 N0


0
tNdt te t dt
0

平均寿命：

1

T1 2 ln 2
平均寿命与半衰期的关系：
3.射性活度（放射性强度） 放射性物质在单位时间内发生衰变的核的数目。
A dN dt N N 0 e t
自旋为零
一、粒子基本性质
1、质量。（常用静能 m0 c 表示） 2、电量。（常以电子电量e为单位） 3、自旋。（自旋角动量以 为单位） 4、平均寿命。
二、粒子相互作用极其统一模型
2
四种相互作用的比较
引力作用 作用力 长程， 程/m 举例 天体之间 弱作用 电磁作用 强作用
短程 <10-16
长程， 原子结合 1/173 光子 强子
同量异位素:质量数A相同而质子数Z不同的核素。 同质异能素:具有相同质量数A和中子数N,但能态不 同的核素。 质子、电子和中子符号
1 1 1 H ( 1P ) 0 1 1 0
e
n
2、原子核的形状、大小及密度
原子核的体积总是正比于它的质量数A
R R0 A1 3
R0 1.20 10 15 m
X
A Z 1
~ Y e
0 1
+衰变是原子核内质子转变成中子，同时放出一个
正电子和一个中微子
A Z
1 1
A Z 1
1 0 P 0 n 1 e
X
Y e e
0 1
3) 衰变 射线是光子流， 是在衰变或衰变后形成新核时辐射出来的。
17-4 粒子及其相互作用
夸克模型 夸克是强子的组成粒子。夸克共有6种。
* 17-5
夸克种类 （味） 英文 符号 质量 (MeV) 电荷(e) 自旋( )
上 up
下
奇异
粲
底
顶
down strange charm
bottom top
u
5
d
10
s
500
c
1500
b
4800
t
?
2/3 -1/3
1/2 1/2
-1/3
1/2
2/3
t=0，N=N0，A=N0
A A0 e t
国际单位：贝克 (Bq) 1Bq表示每秒发生一次核衰变的放射源的活度。 常用单位：居里( Ci)
1Ci 3.7 1010 Bq
二、几种主要的衰变方式
三种衰变：衰变、衰变、衰变
1) 衰变是原子核放射出粒子(即氦核)
A Z A Z 4 X A4Y 2 He Z 2 A 4 Z 2
所以在一切原子核中，核物质的密度近似相等。
m 1017 kg m 3
二、原子核的自旋和磁矩
原子核的自旋角动量为 L I ( I 1) I 核自旋量子数 I可以是整数，也可以是半整数。 核自旋角动量空间量子化
LZ m I , m I I ,( I 1) , 或0 2 e 2.79 N 质子的磁矩 p 2.79 2m p e 核磁子 N 2m p 1